CFB灰渣处治土在公路工程中的应用

张永强 胡凯丽

（1.山西路桥建设集团吕梁国道项目建设管理有限公司，山西 吕梁 033000；2.山西路众道桥有限公司，山西 太原 030006）

一、背景

循环流化床（Circulation Fluidized Bed，简称“CFB”）锅炉燃烧技术是一种洁净燃煤技术，常被用于煤矸石、煤泥等低热值燃料的发电，与普通燃煤电厂煤粉炉相比，具有燃烧适应性广，燃烧强度大等优势，但是由于CFB锅炉入炉原料为煤粉与低热值煤矸石颗粒、煤泥等形成的混合燃料，因此灰渣排放量达普通燃煤电厂粉煤灰的2倍左右，其中CFB飞灰占比55%，CFB炉渣占比45%。此外，CFB锅炉的燃烧温度仅为850℃～950℃，且采用炉内喷钙脱硫工艺，从而导致产生的CFB灰渣与温度可达1200℃的燃煤电厂锅炉排放粉煤灰有很大的差别，主要表现在SO3、f-CaO、含碳量高，需水量大等，导致其无法如传统粉煤灰一样应用于水泥混凝土等领域，而多采用填埋方式处置，不仅处置费用较高而且污染环境。

与此同时，公路建设路基施工过程中，常因项目周边土场土质承载比不达标，而采用水泥处治土、石灰处治土、二灰处治土等方式改良土体，施工综合成本较高。

基于煤系固体废弃物-CFB灰渣处治土用于路基填筑的研究，及其在国道209吕梁改线工程，以及隰吉高速公路项目工程的应用研究，得出CFB飞灰、CFB炉渣处治土用于台背回填等路基填筑工程，可达到与低掺量水泥处治土、石灰处治土相同的效果，经处治后土体CBR值可满足各等级公路路堤、路床填筑要求，同时消纳大量CFB灰渣，可达到降低资源消耗、保护环境，同时提高工程质量降低工程造价的目的，社会、经济效益显著。

二、CFB灰渣特性研究

CFB灰渣是CFB飞灰和CFB炉渣的合称，其中CFB飞灰是指循环流化床锅炉烟道气体经除尘收集的粉末，CFB炉渣是指从循环流化床锅炉底部收集的残渣。本文以某电厂为例，研究了CFB灰渣化学成分及物理特性。

（一）成分分析

采用X射线荧光光谱分析法测定了CFB灰渣的化学成分，结果表明：CFB炉渣和飞灰的主要化学成分均为SiO2、Al2O3、Fe2O3，这与传统煤粉炉粉煤灰的成分基本一致；CFB灰渣中SO3含量最高达6.4%，超过传统粉煤灰3.5%的上限值，同时CFB灰渣中还有较多的CaO，多以f-CaO和CaSO4的形式存在；磨细CFB炉渣中f-CaO含量可达3.63%，高于CFB飞灰。

（二）物理化学特性

CFB炉渣：CFB炉渣呈砂状，具有连续级配，最大粒径10mm，疏松多孔性质，堆积密度仅1100kg/m3～1300kg/m3。

CFB飞灰：CFB飞灰细度较大，表面积可达600m3/kg～1000m3/kg，其中Fe2O3含量较高，故而颜色偏红，飞灰具有较好的水化活性，在潮湿空气中即可变硬板结。

（三）环境污染评价

工业固体废弃物再利用时，必须保证不会对环境产生二次污染。为此，选用隰吉高速公路台背回填用CFB飞灰，委托第三方依据《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》（GB 5085.3）进行了测试，结果表明CFB飞灰样品的重金属质量浓度均远小于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》（GB 5085.3-2007）中规定的危险废物质量浓度的限值，因此CFB飞灰不属于危险固体废弃物，而属于一般工业固体废弃物。其重金属浓度也低于《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）要求，进一步表明CFB飞灰属于第Ⅰ类一般工业固体废弃物，其堆存过程或利用过程中产生的渗滤液若也满足污水排放要求，可以向环境排放。其重金属质量浓度也低于《固废利用技术导则》规定的重金属浸出浓度限值，表明CFB飞灰满足工业固废填筑路基的浸出要求。

固体废物放射性是否满足要求，也是固废再生利用必须提前进行评估的指标。为此，同样选用隰吉高速公路台背回填用CFB飞灰，委托第三方依据《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566-2010）进行测试。

放射性检验结果显示，100%的CFB飞灰放射性检验内照射指数为0.7，外照射指数为1.1，满足《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566-2010）A类装饰装修材料的要求，公路路基处于路面以下，且与人接触时间远低于建筑装修装饰材料，因此可以断定CFB飞灰的放射性不会对人及环境产生危害。

三、CFB炉渣处治土的组成设计与性能研究

如表1所示，随着炉渣的掺入，混合料的最大干密度降低，这是因为炉渣密度较轻，一定程度上可降低土体自重，从而降低工后沉降。观察击实试验过程，炉渣土击实后试件完整，结构密实，表明CFB炉渣处治土具有很好的压实特性。

表1 不同炉渣掺量的击实结果

为研究炉渣对土的改良增强作用，测定了上述系列CFB掺量炉渣在相同击实功下，即击实次数为50次时的CBR值，试验结果如表2所示。

表2 炉渣掺量对炉渣土CBR的影响

结果表明，采用简化CBR试验，即50次击实，炉渣处治土的压实度较素土高2%～4%，可见炉渣处治土具有更好的压实特性；在相同击实功下，炉渣土CBR值随炉渣掺量增加而不断增大，其中炉渣掺量为10%时，压实度93%对应的CBR即可达到27%，较素土提高285%，炉渣掺量提高至30%时，CBR值提高至126.8%，超过传统石灰改良土和低掺量水泥改良土CBR。

表3 飞灰掺量对击实特性的影响

表4 飞灰掺量对CBR的影响

四、CFB飞灰处治土的组成设计与性能研究

飞灰掺量对CFB飞灰处治土击实特性的影响研究结果表明，随着飞灰掺量增加，混合料含水率不断增加，这与CFB飞灰表面粗糙、需水量大相一致；随着飞灰掺量增加，混合料干密度不断下降，这是因为CFB炉渣密度较低，其中飞灰掺量10%时，混合料容重降低7%。

随着飞灰掺量增加，处治土CBR先增加后降低，在10%时达到最佳，此时CBR可达22.6%，较素土增加218%。这是因为该批次飞灰f-CaO含量较低，仅0.28%，因而化学固化作用较弱，主要为物理填充作用，在10%时填充效应达到最高。

五、CFB灰渣处治土的推广应用前景

（一）技术可行性

总结CFB炉渣和CFB飞灰处治土台背回填试验段成果，CFB炉渣处治土可采用预拌的方式拌和均匀，再用平地机配合装载机摊铺后采用压路机碾压，效果良好，压实度可达到96%以上；而从性能指标上来看，30%炉渣处治土CBR值较素土提高近3倍，达到28.3%，完全满足路基路床填筑CBR的要求；CFB飞灰处治土按照水泥处治土网格布灰后路拌碾压，压实效果良好，飞灰掺量8%～10%CBR值即可达到27%以上，完全满足路基路床填筑CBR的要求。

（二）社会效益分析

CFB灰渣处治土新型材料的开发，一方面解决了CFB灰渣无法低成本高效率处理的难题，促进了煤炭清洁利用的发展；另一方面减少台背回填对沙砾或者水泥等材料的消耗，同时减少了灰渣堆存和水泥等材料生产加工时造成的环境污染，有利于资源节约和环境保护。